[摘要] 介紹同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，提出采用32bit微處理器AT91RM9200和FPGA(大規(guī)�？删幊炭刂菩酒�)組成雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。圍繞勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制的實(shí)現(xiàn)，介紹數(shù)字移相脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)三相全控橋?qū)ǖ姆椒�，該方法�?yōu)于傳統(tǒng)的移相脈沖觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了功率柜的可控，軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks，可保證勵(lì)磁程序的高效率運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 同步發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 數(shù)字移相觸發(fā) 雙機(jī)熱備

0 引言

隨著嵌入式工業(yè)控制技術(shù)在電力自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，新一代數(shù)字化勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)運(yùn)而生。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作為發(fā)電機(jī)的重要輔助設(shè)備，與電網(wǎng)運(yùn)行狀況有著直接的聯(lián)系，不僅可提高發(fā)電機(jī)功率極限、電力系統(tǒng)功率傳輸能力，改善電力系統(tǒng)及同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，還直接關(guān)乎電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1,2]。更多資訊盡在中國(guó)電工網(wǎng)。

國(guó)際上知名度較高的勵(lì)磁研究廠家有ABB和西門子，而國(guó)內(nèi)勵(lì)磁調(diào)節(jié)設(shè)備參差不齊。為打破國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備的壟斷，需加快勵(lì)磁系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。本文將設(shè)計(jì)可靠性較高的冗余式雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，它主要由ARM＋FPGA組成核心控制單元，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks，具有較強(qiáng)的以太網(wǎng)通信功能，能滿足當(dāng)前對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求[3]。
 

1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

目前，在水力、火力發(fā)電廠，同步發(fā)電機(jī)普遍采用自并勵(lì)直流勵(lì)磁系統(tǒng)，其原理如圖1所示。勵(lì)磁變(T)主要用來采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，機(jī)端電壓經(jīng)整流后作為勵(lì)磁的直流電源，同時(shí)也作為數(shù)字移相觸發(fā)模塊的同步信號(hào)；可控硅整流橋(RT)采用晶閘管構(gòu)成三相橋式全控整流電路，在為發(fā)電機(jī)提供直流勵(lì)磁電流的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)在電機(jī)停機(jī)或故障狀態(tài)下的順利滅磁[1]；電壓、電流互感器（TV、TA）主要用于采集機(jī)端定子電壓和定子電流，并供給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR）；由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的AVR單元主要完成相關(guān)電信號(hào)的采集、分析和處理，并通過優(yōu)良的控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖觸發(fā)角度，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的可控[4]，從而達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

圖1 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖
 

2 雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的總體設(shè)計(jì)

雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器適用于多種可控硅勵(lì)磁控制方式，它主要面向自并勵(lì)同步發(fā)電機(jī)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)[5]。雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器即為1臺(tái)發(fā)電機(jī)配備2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，分主套和從套，由主套的脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過自身的核心控制進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、邏輯仲裁，并實(shí)現(xiàn)脈沖的互鎖，即雙通道冗余設(shè)計(jì)。雙機(jī)熱備冗余框圖如圖2所示。

圖2 雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)框圖

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的雙機(jī)熱備工作原理：當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上電工作后，2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用搶先占用模式自主設(shè)定主機(jī)(假定為A機(jī))，另1套則為熱備機(jī)(假定為B機(jī))。2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器同時(shí)處理相同的開入量、模擬量等電信號(hào)，并完成控制角度的計(jì)算，但只有A機(jī)計(jì)算出的控制角度脈沖經(jīng)過隔離放大整形后能實(shí)現(xiàn)功率柜晶閘管的整波，B機(jī)計(jì)算出的控制角度脈沖則被閉鎖。只有在A機(jī)出現(xiàn)故障并發(fā)故障信號(hào)給B機(jī)，B機(jī)檢測(cè)到A故障信號(hào)或手動(dòng)切換B機(jī)為主機(jī)時(shí)，B機(jī)才接替A機(jī)成為主機(jī)運(yùn)行，其觸發(fā)脈沖才取代A機(jī)脈沖輸出實(shí)現(xiàn)功率柜晶閘管的整波，同時(shí)A機(jī)自動(dòng)閉鎖。這樣，發(fā)電機(jī)不會(huì)因其中一套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障而停機(jī)，同時(shí)還可對(duì)故障勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)[2]。

發(fā)電機(jī)雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用積木式板件結(jié)構(gòu)，由電源板、CPU板、模擬量板、開關(guān)量板、同步板、脈沖放大板等構(gòu)成[3]，勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。電源板為專業(yè)電源生產(chǎn)廠家定做的，分系統(tǒng)電源和脈沖電源，系統(tǒng)電源滿足交直流220V或110V輸入，直接輸出±12、5V。脈沖電源提供±24V電源輸出，主要為脈沖放大板提供脈沖調(diào)整放大電源。同步板和模擬量板主要完成交流采樣信號(hào)的調(diào)整，以滿足A/D采樣量程。開關(guān)量板主要完成信號(hào)的開入和開出，采用光電隔離器件實(shí)現(xiàn)板件和外部信號(hào)的隔離。CPU板是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的核心單元，控制器選用ATMEL公司的32bit處理器AT91RM9200及大規(guī)�？删幊踢壿嬁刂疲‵PGA）芯片，完成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量、通信及移相觸發(fā)控制。脈沖放大板實(shí)現(xiàn)脈沖的放大調(diào)整和脈沖故障監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙套脈沖的故障切換。

圖3 發(fā)電機(jī)雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

3 雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要控制實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)交流采樣

發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流等電參量采用交流采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集。以AT91RM9200處理器為核心，采用FPGA邏輯功能實(shí)現(xiàn)AD控制信號(hào)的邏輯時(shí)序控制，最終由AT91RM9200處理器控制AD完成數(shù)據(jù)的采集。采樣模塊采用AD公司的16bit真雙極性、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656，該器件功耗僅為160mW。AD7656包含一個(gè)低噪聲、寬帶跟蹤保持放大器，以便處理頻率高達(dá)8MHz的信號(hào)[6]。信號(hào)輸入部分結(jié)合Maxim公司的MAX309多路開關(guān)，對(duì)三相電壓、三相電流進(jìn)行同步采樣，以保證功率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2對(duì)外通信

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通信部分包括雙套間的通信及與后臺(tái)PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，涉及到以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)和RS-485總線的數(shù)據(jù)通信接口。雙套微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器間必須實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，為此采用數(shù)據(jù)傳輸率高、抗干擾性強(qiáng)的雙CAN通信。CAN控制器采用Philips獨(dú)立CAN控制器SJA1000芯片，AT91RM9200控制器通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來訪問SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。CAN收發(fā)器采用Philips的PCA82C250，實(shí)現(xiàn)CAN控制器與物理總線的接口，它給總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，給CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，可同時(shí)操作2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，提供高達(dá)1Mb/s的傳輸速度[7]。

勵(lì)磁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化后，可方便與上位機(jī)及各種DCS系統(tǒng)通信，最終實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks的采用，大幅簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)層程序的設(shè)計(jì)。AT91RM9200內(nèi)嵌了1個(gè)以太網(wǎng)控制器,但未提供物理層接口,因此需外接1片物理層芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。常用的10M/100M以太網(wǎng)物理層器件主要有RTL8201、DM9161，均提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡(luò)接口，本系統(tǒng)選用DM9161作為物理層芯片。信號(hào)的發(fā)送與接收通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和網(wǎng)絡(luò)水晶接頭RJ45接口并網(wǎng)，方便地實(shí)現(xiàn)了裝置與后臺(tái)的通信。

3.3全控橋的數(shù)字移相觸發(fā)控制

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功率柜采用三相橋式全控整流電路。三相全控橋的控制靈敏度和靜差均優(yōu)于三相半控橋，且動(dòng)態(tài)特性也較好，不僅可以完成交直流轉(zhuǎn)換，還可以在正常停機(jī)或故障跳閘時(shí)將儲(chǔ)存在電機(jī)勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)中的能量經(jīng)全控橋迅速反饋回交流電源，即進(jìn)行直流變交流的逆變滅磁。常見的三相橋式全控整流電路如圖4所示。

圖4 三相全控整流橋

為保證全控橋的可控導(dǎo)通，采用數(shù)字移相觸發(fā)脈沖來觸發(fā)。而三相全控整流橋觸發(fā)電路的主要功能是根據(jù)同步電路獲得的同步信號(hào)以及給定的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的數(shù)字移相控制。由圖4可知，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，因此觸發(fā)脈沖的順序?yàn)锳＋，C－，B＋，A－，C＋，B－。

由三相橋式全控整流電路輸出的直流電壓平均值 與控制角 的關(guān)系可知，感性負(fù)載時(shí)有：

           （1）

式中， 為變壓器二次側(cè)線電壓； 為觸發(fā)角度。

通常，根據(jù)實(shí)時(shí)性要求，對(duì) 進(jìn)行離散化計(jì)算，可得到1個(gè)輸出電壓與觸發(fā)角的關(guān)系表。根據(jù)PID計(jì)算結(jié)果進(jìn)行快速查表即可求得觸發(fā)角 [2]。

晶閘管整流輸出端電壓靠改變觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)。當(dāng) ∈(0°，90°)時(shí)，整流橋處于整流狀態(tài)；當(dāng) ∈(90°，180°)時(shí)，整流橋處于逆變滅磁狀態(tài)。

為確保全控橋整流電路順利啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可控硅的觸發(fā)換流，必須保證晶閘管每周期導(dǎo)通的起始點(diǎn)即觸發(fā)延遲角 相同，即必須在其陽極承受正向電壓（或在陰極承受負(fù)向電壓）期間在控制極加觸發(fā)脈沖；為確保形成電流通路，還必須使共陽極組和共陰極組的元件在任一瞬間各有1只處于導(dǎo)通狀態(tài)，即若1個(gè)觸發(fā)脈沖加至共陰極組的1個(gè)元件，則另1觸發(fā)脈沖加至共陽極組中的前1個(gè)元件。因此，觸發(fā)脈沖要適應(yīng)全控橋電路的要求，使6個(gè)晶閘管按序?qū)�，解決的辦法有2種：一種是使每個(gè)脈沖的寬度大于60°（一般取60～80°），即為寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)N號(hào)晶閘管的同時(shí)給N－1號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用2個(gè)窄脈沖等效代替1個(gè)寬脈沖，即為雙窄脈沖觸發(fā)。用雙窄脈沖觸發(fā)時(shí)，在1個(gè)周期內(nèi)需對(duì)每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)2次，2次的間隔為60°。雙窄脈沖觸發(fā)由于可減小觸發(fā)裝置的輸出功率和脈沖變壓器的鐵心，因此使用較廣。目前普遍采用數(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖觸發(fā)，原理如圖5所示。

圖5 數(shù)字移相觸發(fā)原理

目前，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器6路雙窄脈沖的數(shù)字移相觸發(fā)多采用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、PWM調(diào)制和可編程邏輯器件(FPGA)等完成。可編程邏輯芯片可選用FPGA和CPLD。FPGA處理速度較快，但時(shí)序的可控性較弱；對(duì)于對(duì)時(shí)序要求高的邏輯控制，則可選用CPLD[8]。全球可編程邏輯器件的制造商有XILINX、LATTICE、ALTERA。根據(jù)元器件的優(yōu)選及公司知識(shí)資源的積累，選用XILINX公司的FPGA芯片XCS30，它采用VHDL語言編程完成數(shù)字移相脈沖觸發(fā)，具有脈沖穩(wěn)定好、可靠性高的特點(diǎn)。它把同步板上同步變壓器采集到的交流同步電壓(Ua、Ub、 Uc)整成方波，作為同步信號(hào)送至FPGA。每個(gè)同步信號(hào)產(chǎn)生后，F(xiàn)PGA接收由AT91RM9200T構(gòu)成的核心控制單元輸出的控制信號(hào)，并通過脈沖計(jì)數(shù)方式改變移相角（若同步脈沖頻率50Hz固定，脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N,則移相角的脈沖數(shù)為 個(gè)），從而實(shí)現(xiàn)延遲角的雙窄觸發(fā)脈沖。由全控橋的輸出電壓與控制角的關(guān)系可知，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)就是通過改變來改變輸出電壓和功率。

3.4試驗(yàn)波形及分析

通過雙通道泰克(TDS1012C)數(shù)字示波器測(cè)得的1組雙窄觸發(fā)脈沖波形如圖6所示。 

圖6 不同角度的移相觸發(fā)脈沖實(shí)驗(yàn)波形

由于示波器通道有限，因此只能測(cè)量1組波形。圖6給出了當(dāng)為30、60、90、150°時(shí)的4組圖像，其中CH1是A相同步電壓調(diào)整后的波形，CH2是觸發(fā)脈沖A＋經(jīng)放大后的波形。由晶閘管導(dǎo)通順序及雙窄脈沖形成原理可知:以A相電壓為觸發(fā)源，取A相同步頻率的上升沿作為計(jì)數(shù)起始點(diǎn)，采用6個(gè)16位的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到觸發(fā)起始值即滿足移相角時(shí)，觸發(fā)脈沖輸出高電平，雙窄脈沖的寬度為 ，其它幾路以此類推。形成的6路雙窄脈沖數(shù)字移相時(shí)序圖如圖7所示。

圖7 6路雙窄脈沖數(shù)字移相時(shí)序圖

由雙窄脈沖時(shí)序圖可知，C-（VT2）脈沖與A＋(VT1)脈沖移相60°后完全相同，其它各序脈沖(B＋(VT3)，A-(VT4)，C＋(VT5)，B-(VT6))依次移相60°。試驗(yàn)結(jié)果表明了數(shù)字移相的正確性。

4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件實(shí)現(xiàn)

雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks、人機(jī)交互程序以及勵(lì)磁應(yīng)用程序。

嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks包括操作系統(tǒng)本體、硬件底層驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)任務(wù)配置、系統(tǒng)中斷配置等。使用嵌入式操作系統(tǒng)可提高代碼移植性。嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有快速可靠的中斷響應(yīng)，可保證勵(lì)磁程序高效率運(yùn)行；多任務(wù)環(huán)境允許一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用作為一系列獨(dú)立任務(wù)來運(yùn)行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源，從而可合理安排勵(lì)磁控制外圍程序的運(yùn)行。這種軟件構(gòu)架可保證系統(tǒng)和勵(lì)磁控制程序的安全可靠性。

人機(jī)交互的核心程序在通信報(bào)文處理任務(wù)中。該任務(wù)與網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、RS-485通信任務(wù)一同構(gòu)成人機(jī)交互的下位機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、RS-485通信任務(wù)在收到上位機(jī)發(fā)出的指令后，將指令發(fā)送到一共同的消息隊(duì)列中；通信報(bào)文處理任務(wù)則從消息隊(duì)列中逐條取出命令并處理。

勵(lì)磁應(yīng)用程序包括主程序和控制調(diào)節(jié)程序。主程序置于主任務(wù)中，用于完成勵(lì)磁應(yīng)用程序的初始化以及機(jī)組狀態(tài)的判斷等功能；控制調(diào)節(jié)程序置于3.3ms中斷中，控制周期為3.3ms，用于完成所有的勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)功能，以確�？刂普{(diào)節(jié)的速度和精度。

5 結(jié)束語

本文在雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器研制的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的基本原理，概述微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本框架。雙機(jī)熱備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件上采用冗余設(shè)計(jì)的雙通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)熱備切換，有效保障了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的穩(wěn)定性和可靠性。在介紹勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)下，論述了具有較強(qiáng)控制性能的AT91RM9200微處理器運(yùn)行嵌入式Vxworks系統(tǒng)。這種采用新器件實(shí)現(xiàn)的新系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品的升級(jí)及新一輪數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的研發(fā)具有實(shí)際的參考意義。

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